Garo turbina (iš lot. turbo 'sūkurys') - tai energijos rūšies keitimo įtaisas, variklis, vandens garų termo-mechaninę plėtimosi energiją verčiantis į mechaninę − sukimo momentą. Tai viena iš šiluminių variklių mašinų, kuriose garo šiluminė energija paverčiama mechaniniu darbu.
Šiuolaikinę garo turbiną 1884 m. pagamino seras Charlesas Parsonsas. Tačiau primityvią garo turbiną maždaug 1 a. pr. Kr. aprašė graikų matematikas Heronas iš Aleksandrijos ir ji buvo slenkančio tipo. Konstrukcija buvo daug kartų keičiama, o turbinos galia siekia nuo 0,75 KW iki 1000 MW. Tai leidžia plačiai ją panaudoti įvairiems tikslams, pavyzdžiui, siurbliams, kompresoriams ir kt. Šiluminėse elektrinėse garo turbinos sujungiamos su elektros generatoriumi, kuris surenka mechaninę energiją iš rotoriaus veleno ir paverčia ją elektros energija. Garo turbinų galia dažniausiai svyruoja tarp 0,5−500 MW, o galingiausia pastatyta − 1200 MW.
Garo turbinos veikimo principas
Garo turbinos veikimo principas priklauso nuo dinaminio garo veikimo. Didelio greičio garai sklinda iš purkštukų ir atsitrenkia į besisukančias mentis, kurios sumontuotos ant disko, esančio ant veleno. Šie didelio greičio garai sukuria dinaminį slėgį mentėms, todėl mentės ir velenas pradeda suktis ta pačia kryptimi. Iš esmės garo turbinoje garų slėgio energija paverčiama kinetine energija, leidžiant garams tekėti per purkštukus. Kinetinės energijos konversija atliekama mechaniniu darbu prie rotoriaus menčių, o rotorius yra prijungtas prie garo turbinos generatoriaus, kuris veikia kaip tarpininkas. Kadangi garo turbinos konstrukcija yra paprasta, jos vibracija yra daug mažesnė nei kitų variklių esant tam pačiam sukimosi greičiui. Tačiau įvairių tipų valdymo sistemos yra naudojamos siekiant pagerinti turbinos greitį.
Garo turbinoje ant vieno veleno dažnai užmaunami keli vis didesnio skersmens diskai. Iš pradžių karšti garai patenka ant mažiausio disko, o vėliau - ant vis didesnio. Tai daroma tam, kad išlaikytų tą pačią slėgio jėgą.
Garo turbinų tipai
Pagal veikimo principą garo turbinos daugiausia skirstomos į dvi kategorijas:
- Impulsinė turbina: Kai garai patenka į judančius peilius per purkštukus.
- Reakcijos garo turbina: Kai garai spaudžiami atsitrenkia į judančias ašmenis per kreipiamąjį mechanizmą.
Pagal garų srauto kryptį turbinos skirstomos į:
- Ašinio srauto garo turbina: Garo srautas korpuso viduje yra lygiagretus rotoriaus veleno ašiai.
- Radialinio srauto garo turbina: Garo srautas korpuso viduje yra radialinis rotoriaus veleno ašies atžvilgiu.
Pagal garų išmetimo būklę skiriamos:
- Atgalinio slėgio arba nekondensuojančio tipo garo turbinos: Išsiplėtus garui, jis išmetamas į atmosferą.
- Kondensacinio tipo garo turbina: Garas išleidžiamas į kondensatorių.
Pagal garų slėgį turbinos gali būti:
- Aukšto slėgio arba išleidimo arba ištraukimo garo turbina.
- Vidutinio slėgio arba priešslėgio garo turbina.
- Žemo slėgio turbina.
Garo turbinų priežiūra ir saugumas
Garo turbina yra gana sudėtinga mašina, todėl jos priežiūra reikalauja ypatingo dėmesio. Svarbu atkreipti dėmesį į atitinkamą kiekvieno komponento sudėtį techninės priežiūros ir transformacijos metu. Ypač svarbu nepridėti per daug ar per mažai tepimo alyvos, nes tai gali turėti įtakos garo turbinos stabilumui ir normaliam darbui. Naudojant saugaus eksploatavimo mašinas, būtina dėvėti atitinkamas apsaugos priemones ir taisyti atitinkamas turbinos gedimo dalis.
Išjungiant garo turbiną, pagrindinis jos reguliavimo vožtuvas uždaromas, o įrenginys sustabdomas. Kol agregatas neviršija greičio, o tepalinės alyvos slėgis normaliai tiekiamas, tai nėra didelė problema. Prieš tiekiant garą, pirmiausia reikia pašildyti veleno sandariklio pagrindinį vamzdį. Tada įjungiama turbina ir ventiliatorius, sukuriant nedidelį neigiamą slėgį veleno garų pusėje, o tada garai tiekiami į kiekvieną veleno sandariklio dalį. Paprasčiau tariant, kai įrenginys įsijungia, jis pirmiausia tiekia garą į veleno sandariklį, paleidžia veleną ir prideda ventiliatorių, o tada paleidžia vakuuminį siurblį, kad išsiurbtų. Kai vakuumas viršija tam tikrą ribą, galima įspėti katilą, kad jis pradėtų uždegimą.
Garo turbinos veikimo principas
Skaičiavimo pavyzdys
Garo mašinos, kurios galia yra 10,5 kW, katilo pakuroje per vieną valandą sudega 10 kg akmens anglies. Į cilindrą tiekiami 200 °C temperatūros garai, o pašalinami 100 °C. Akmens anglies degimo savitoji šiluma yra 30 MJ/kg. Apskaičiuokime šilumos kiekį, kurį išskiria degdama anglis, garo mašinos atliktą darbą per 1 valandą, jos naudingumo koeficientą ir idealiosios mašinos naudingumo koeficientą.
1. Šilumos kiekis, kurį išskiria degdama anglis, apskaičiuojamas pagal formulę: Q=q*m, kur q - savitoji degimo šiluma, m - masė. Įsistatome skaičius: Q=30 * 10^6 J/kg * 10 kg = 300 MJ.
2. N=A/t, todėl A=N*t, kur N - variklio galia, t - laikas. Įsistatome skaičius: A=10500 W * 3600 s = 37 800 000 J = 37.8 MJ.
3. Naudingumo koeficientas (η) lygus (A(Naudingas)/A(visas)) * 100%. Įsistatome jau apskaičiuotas reikšmes: η=(37.8 MJ / 300 MJ) * 100% = 12.6%.
4. Idealiosios mašinos naudingumo koeficientas būtų 100%, nes ji visą iš kuro gautą energiją paverstų darbu, tačiau taip nėra.
